基于DDS的多波形信号发生器的设计
摘 要
现代电子系统的关键组成部分之一就是频率合成器。在雷达、通信和导航等设备中，频率合成器既可以作为发射机的激励信号源，又可以作为接收机的本地振荡器；在电子对抗设备中，它可以产生干扰信号；在设备测试中，可作为标准信号源，因此频率合成器被人们称为许多电子系统的“心脏”。随着频率合成理论和高速大规模集成电路的快速发展，信号发生器在通信、检测、导航等领域得到了广泛的应用。特别是在高压电力系统的检测领域，常常需要模拟电网谐波的标准信号源对检测设备的性能进行校验，例如高压电力线路的相位检测，避雷器的性能检测，用户电能表的性能校验等。
本系统实现了一个频率、相位可控的多波形发生器.基于直接数字频率合成技术（DDS）原理，采用Altera公司的MAX II EPM1270 系列CPLD芯片.在Quartus II 9.2平台上完成DDS系统的设计。利用其高速、高性能及可重构性的特性，就能根据需要方便地通过键盘实现各种不同频率的信号输出。
本文阐述了直接数字频率合成(DDS)技术的工作原理、电路结构及设计的思路等软件实现部分。并尝试新的思路和算法对系统进行改进和优化。经过软件设计仿真和电路测试，输出波形达到了技术要求。文中对整个设计构架和各子模块以及仿真结果均有详细说明。
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关键字:字频率合成；信号发生器；DDS；CPLD
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 频率合成技术 2
1.3 直接数字频率合成 7
1.3.1 DDS数学推导 8
1.3.2 DDS电路结构 10
1.4 本文研究的内容 11
第二章 系统设计 13
2.1 系统开发平台及语言介绍 13
2.2 系统主要指标 15
2.3 系统方案设计 15
第三章 系统测试与仿真 17
3.1 DDS模块测试 17
3.1.1 相位累加器模块 17
3.1.2 相移调节模块 19
3.1.3 相位求补模块 20
3.1.4 数据求补模块 22
3.1.5 波形存储模块 23
3.2 多波形发生模块 27
3.2.1 正余弦波发生模块 27
3.2.2 三角波发生模块 29
3.2.3 斜波发生模块 31
3.2.4 方波发生模块 32
3.3 辅助模块 33
3.3.1 波形选择模块 34
3.3.2 按键消抖模块 35
3.4 系统仿真测试 36
第四章 系统改进及优化 38
4.1 改进方案介绍 38
4.2 CORDIC算法设计 38
4.2.1 CORDIC原理 38
4.2.2 CORDIC实现 40
第五章 结束语 44
5.1 工作总结 44
5.2 工作展望 44
致谢 46
参考文献 47
附录 科技文献翻译 50
第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
近半个世纪以来，EDA（Electronic Design Automation）技术发展迅速。EDA以计算机为工具，利用硬件描述语言，完成设计文件，然后由计算机自动实现逻辑编译、化简、分割、布局、布线及综合优化，仿真直至对特定目标芯片的适配编译，逻辑映射和编程下载等工作。自顶向下的设计方法，使硬件设计趋于软件化，摆脱了传统手工设计的众多束缚。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率，可操作性也逐步增强，减轻了设计者的劳动强度。随着EDA技术的进一步发展，基于硬件描述语言的设计方法优势愈加明显与突出，将有希望取代传统手工设计方法。
直接数字频率合成(DDS)是七十年代初提出的一种新的频率合成技术，其数字结构满足了现代电子系统的许多要求，因而得到了迅速地发展。1971年，美国学者J.Tiercy，M.Rader和B.Gold率先提出DDS技术，该技术从相位的角度出发直接合成所需波形。但当时的技术和工艺水平不够先进，DDS技术没有在实际中得到应用，仅仅停留在理论层面上。DDS是一种崭新的频率合成技术，其具有频率分辨率高的特点，而且可以实现不同频率间的快速切换功能。近年来，随着VLSI(Very Large Scale Integration，超大规模集成)、FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、CPLD(Complex programmable Logic Device，复杂可编程器件)等技术的出现以及对DDS理论上的进一步探讨，使得DDS技术再次得到了飞速的发展。近几年来，高性能、多功能、低功耗的DDS 芯片逐渐问世，这为电路设计者提供了更加多样的选择。 然而在特定场合，专用DDS 芯片与系统的实际要求仍存在一定距离，具体表现在控制方式不够丰富、置频速率达不到要求等方面。因此，采用EDA技术，采用类似软件设计的方式，设计符合具体需要的DDS 电路，就显得非常必要。
本系统利用EDA技术，设计一个基于DDS的多波形信号发生器系统，实现多波形信号的输出，如正余弦、三角、斜波、方波等，且信号频率、幅值在一定范围内可调。同时，可以根据实际需求，各种相对复杂的调频、调相和调幅功能也能得到实现。
1.2 频率合成技术
频率合成技术的实质为：将一个稳定度和准确度较高的标准频率源，经过一些技术处理，产生同样大量离散频率。产生的频率也必须要满足高稳定度和高精确度的技术要求。通常这里所说的技术处理方法有以下几种实现途径，一是用硬件传统技术，实现频率加、减、乘、除基本运算。二是运用锁相技术。三是利用各种数字技术和计算机技术。在现代电子通信系统中，经常需要提供一系列的频率，提供的频率在一个频率范围内可变，且要满足高准确度和高稳定度的要求。而普通的晶振输出是单一的，或是在一定范围内可以微调。不过通常来说，这种范围很有限，满足不了现实要求。这就需要充分利用频率合成及EDA技术，来完成这一任务。
衡量频率合成器的主要技术指标如下：
（1）频率范围
频率范围是合成器的主要技术指标之一，其表示频率合成器输出端产生最高频率与最低频率的变化区间。对不同电子系统来说，频率范围的要求通常不同。一般来说，工作频率越高，频率合成器的频率范围越大。
（2）频率间隔／步进频率／频率分辨率
频率间隔还有其它的叫法，即步进频率或频率分辨率。其含义均为由频率源输出，两相邻离散频率点之间的频率间隔。对不同用途的频率合成器来说，频率间隔的要求相差明显，通常希望频率间隔尽可能精细。
（3）频率转换时间
从一个工作频率转换到其它工作频率，并使后者达到稳定工作状态，这期间所需的时间称为频率转换时间。一般来说，频率转换时间越短，相应的频率合成器的性能就越高。
（4）频率稳定度与准确度
在规定的观测时间内，合成器输出频率偏离标称频率值的程度，称为频率稳定度。一般用该偏离频率值与标称频率的相对值来表示。实际工作频率与其标称频率值之间的偏差则为准确度，又称频率误差。稳定度与准确度关系密切，因为只有频率稳定度高，频率准确度才具有现实意义。
（5）频谱纯度
输出信号接近理想信号的程度用频谱纯度表示。频谱纯度由杂散分量和相位噪声来度量。杂散分量又称寄生信号，可分为谐波分量和非谐波分量。其产生的主要原因是频率合成过程中的非线性失真。寄生干扰表现为一些离散的频谱。各种随机噪声导致瞬时频率或相位起伏，这统称为相位噪声。在频谱图上表现为主谱左右两侧的连续噪声频谱。
截止到目前，频率合成技术逐渐形成几大类，主要包括：直接模拟频率合成技术、锁相频率合成技术、直接数字频率合成技术和混合频率合成技术。下面对这四种频率合成方式和特点进行简要介绍。
（1）直接模拟频率合成(Direct Analog Frequency Synthesis)
直接模拟频率合成技术第一代频率合成技术。直接模拟频率合成器也是最早得到应用的一种合成频率信号源。它由一个高稳定、高纯度的晶体参考频率源，根据要求通过倍频器、分频器、混频器等不同组合实现变频。或是经过具有选频功能的滤波器，对频率进行基本的加、减、乘、除运算，然后得到各种需要的大量离散频率。直接模拟频率合成器的基本原理如图1所示。
图1 直接模拟频率合成器的基本原理图
频率分辨率较高、频率转换速度相对较快、工作稳定可靠是直接模拟合成法的显著特点。但是，其最大的缺点是体积大、成本高，因此不利于集成所以难以得到推广。而且各种组合频率产生的输出谐波、干扰噪声以及寄生频率等难以得到消除。因此，如何组合频率以及抑制并消除谐波，便成了设计直接模拟频率合成器的过程首先要解决的难题。目前，锁相频率合成器和直接数字频率合成器等已逐渐取代直接模拟频率合成器。
（2）锁相频率合成(PLL：Phase Locked Loop Frequency Synthesis)
锁相频率合成，顾名思义，是利用锁相技术来产生所需要的目标频率。锁相频率合成技术是第二代频率合成技术，也是当今得到应用最为广泛的频率合成技术之一。它的工作原理如下：整体可看为由锁相环和可变分频器组成。通过改变反馈支路中的可变分频器的分频比，可以由具有高稳定度、高精确度特征的晶体参考频率，来获得所需的大量离散频率。锁相频率合成器的基本原理如图2所示。
图2 锁相频率合成器原理框图
锁相频率合成法的优点比较明显，极宽的频率范围导致其输出频率可以很高。良好的寄生杂散抑制性能，又可以使输出频谱纯度很高。便于集成的特点也为输出频率的程控提供了可能。它主要缺点是频率转换速度较慢，频率分辨率不高，而且频率分辨率和频率转换速度相互制约。频率分辨率的提高则需要锁相环参考频率的降低，然而减小参考频率则又会造成其频率转换时间和相位噪声增大，这一对矛盾的存在，要求我们在锁相频率合成器的设计中要综合考虑，以平衡这对矛盾，同时满足设计需求。
考虑到单环锁相频率合成器的局限性，例如在频率范围、频率分辨率以及频率转换时间等方面，很难同时满足合成器的性能要求。因此，现代通信与电子设备中很少采用单环锁相频率合成技术，取而代之的是多环锁相频率合成、吞脉冲锁相频率合成以及小数分频锁相频率合成。
（3）直接数字频率合成(DDS----Direct Digital Frequency Synthesis)
直接数字频率合成是一项崭新的频率合成技术。它直接对参考信号进行抽样、数字化。然后利用数字计算技术和数模转换器产生目的信号，最终实现频率合成。其基本构造可分为相位累加器、波形存储器、D／A转换器和低通滤波等部分。DDS的工作原理从本质上说，是以数控的方式产生频率、相位均可控制的信号波形。相位全加器和相位累加寄存器通过级联构成了相位累加器。其功能为对代表频率的二进制码控制字进行累加运算。以正弦波为例，正弦波存储器实质上是波形寄存器，主要功能为完成相位／幅度转换，将读出的数据送入D／A转换器，然后经过低通滤波器滤除杂散分量，最终得到目标信号波形。具体工作流程，也是DDS的基本工作原理，可由图3示。
图3 DDS基本原理图
DDS技术与传统的频率合成技术相比，具有极小的频率转换时间(可小于0．1 )，非常高的频率分辨率(可达1 uHz)，相位噪声小、稳定度高、易于调整及控制灵活；易于实现线性调频和其他各种频率、相位、幅度调制；而且体积小、低功耗、全数字化、易于集成等优良性能。
原文链接：http://www.jxszl.com/dzxx/txgc/1774.html
